郭紅敏，李 雷，梁送春

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

懸臂下置的懸澆連續(xù)箱梁橋設(shè)計(jì)實(shí)踐

郭紅敏，李 雷，梁送春

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

為解決行人與非機(jī)動車道縱坡無法滿足設(shè)計(jì)規(guī)范要求的問題，提出了一種將懸臂設(shè)置在腹板中下部的懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁結(jié)構(gòu)，該懸臂專門用作行人與非機(jī)動車通行。對該結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的整體與細(xì)部計(jì)算分析，結(jié)果表明其受力與常規(guī)斷面箱梁差別較大。最后對掛籃進(jìn)行空間受力計(jì)算分析。有關(guān)成果供設(shè)計(jì)同行參考。

懸臂下置；懸臂澆筑；箱梁；結(jié)構(gòu)分析；掛籃

1　工程背景

蘇州工業(yè)園區(qū)蘇虹路東延工程跨越青秋浦，擬新建橋梁一座。青秋浦為五級航道，通航凈寬B=45 m，凈高H=5 m。橋梁中心線與河道中心線斜交111°。

橋位所在區(qū)域工廠較多，橋梁建成后重車通行的需求較大，經(jīng)多方案比選，主引橋橋型均選擇結(jié)構(gòu)剛度好、行車舒適、養(yǎng)護(hù)簡單的預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)箱梁橋［1］。全橋跨徑布置為2×30 m+（37 m+68 m+ 42.5 m）+2×30 m，橋梁全長267.5 m。標(biāo)準(zhǔn)斷面寬33.6 m，橫向分兩幅橋，單幅橋?qū)?6.3 m，外側(cè)懸臂寬4.5 m，內(nèi)側(cè)懸臂寬2.5 m。斜橋正做，主橋主墩錯墩布置，主橋邊墩、引橋橋墩、橋臺均對齊布置。主橋采用掛藍(lán)懸臂澆筑，引橋采用滿堂支架現(xiàn)澆，見圖1。

圖1　橋梁剖斷面效果圖

縱斷面拉坡結(jié)果顯示，在滿足青秋浦通航要求及河道兩岸交叉口順利接坡的前提下，橋面設(shè)計(jì)縱坡達(dá)4.5%。根據(jù)《城市道路工程設(shè)計(jì)規(guī)范》，非機(jī)動車道縱坡不宜大于3.5%，為解決該問題，箱梁外側(cè)懸臂向下放，非機(jī)動車道與機(jī)動車道設(shè)計(jì)為不同的縱斷面。

2　懸臂方案比選

為滿足行人與非機(jī)動車通行的需求，人非懸臂寬度設(shè)計(jì)為4.5 m。設(shè)計(jì)考慮了兩個懸臂方案：混凝土懸臂、鋼結(jié)構(gòu)懸臂。經(jīng)多方面比選，最終確定采用混凝土懸臂方案，見表1。

表1　懸臂方案比選表

3　截面受力特性分析

3.1定性分析

對截面特性進(jìn)行正確、深入的分析是合理、安全設(shè)計(jì)的必要前提條件。與常規(guī)斷面的懸澆預(yù)應(yīng)力混凝土箱梁橋相比，本橋最大的特點(diǎn)是外側(cè)懸臂下置且內(nèi)外懸臂大小、腹板厚度均不相同。

箱梁縱向受力主要有以下特點(diǎn)：由于外側(cè)懸臂位于腹板中下部，箱梁截面的中性軸、慣性矩、剛度等沿縱向分布與常規(guī)斷面均不相同，從而使得全橋縱向彎矩分布、截面上下緣應(yīng)力與常規(guī)斷面箱梁也不相同。

截面橫向受力特點(diǎn)：外側(cè)懸臂設(shè)置在邊腹板中下部，使得邊腹板承受較大的橫橋向彎矩；兩側(cè)懸臂大小及腹板厚度不同，截面在恒活載作用下承受較大的扭矩；常規(guī)斷面在計(jì)算有效寬度時需計(jì)入部分或全部懸臂寬度，懸臂下置的斷面則完全不能考慮［2］，兩者的有效寬度差別較大。

根據(jù)以上分析，懸臂下置的斷面的邊腹板為抵抗橫向彎矩及滿足布置縱向預(yù)應(yīng)力鋼束的需要，其厚度沿縱向全長均為1 m，其余腹板厚按常規(guī)斷面擬定。邊腹板與頂?shù)装逯g的倒角均加大，其中腹板與底板倒角的水平長度為1 m。

3.2定量分析

以跨中2 m梁高的斷面（見圖2）為例，對懸臂下置的斷面與常規(guī)斷面（懸臂不下置，其余均同圖2）的特點(diǎn)進(jìn)行定量分析比較。

圖2　箱梁跨中斷面（單位：cm）

表2　懸臂下置的箱梁斷面與常規(guī)斷面比較

4　結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

4.1橫向框架分析

斷面橫向計(jì)算滿足規(guī)范要求后方可進(jìn)行縱向建模計(jì)算。取縱向1 m長的橫向框架進(jìn)行計(jì)算，自重作用下其彎矩見圖3。

圖3　斷面彎矩圖（單位：kN·m）

由圖3可以看出，邊腹板的橫向彎矩較大，該腹板的豎向箍筋同時也承受較大的橫向彎矩，因此應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)。

4.2懸臂有限元分析

為確保4.5 m寬的大懸臂結(jié)構(gòu)安全，設(shè)計(jì)中采取以下構(gòu)造措施：（1）大懸臂局部進(jìn)行加厚，根部厚度加厚至0.8 m，計(jì)算時不考慮加厚部分；（2）外側(cè)邊腹板與頂板的倒角尺寸為100 cm×35 cm，與底板的倒角尺寸為100 cm×20 cm；（3）頂板厚度最小為25 cm，底板厚度最小為28cm；（4）懸臂內(nèi)橫橋向設(shè)置直徑為32 m m的預(yù)應(yīng)力精軋螺紋鋼筋，沿橋梁縱向間距50 cm；（5）橫梁與橫隔板范圍內(nèi)的懸臂內(nèi)采用預(yù)應(yīng)力鋼絞線；（6）精軋螺紋鋼筋施工時張拉控制應(yīng)力為0.9 fpk，計(jì)算時按0.45 fpk取值；（7）懸臂上緣橫向普通鋼筋直徑為25 m m，縱向間距為10 cm。

由于外側(cè)懸臂長度為4.5 m，懸臂根部受力較大，邊腹板在該懸臂上的荷載作用下受力較復(fù)雜。采用M IDAS FEA建立實(shí)體單元模型對懸臂和邊腹板進(jìn)行應(yīng)力分析，計(jì)算結(jié)果見圖4。結(jié)果表明，最不利荷載組合作用下，懸臂根部最大拉應(yīng)力為1.21 M Pa，滿足A類構(gòu)件要求。

圖4　下置懸臂及邊腹板應(yīng)力云圖（單位：MPa）

4.3縱向計(jì)算分析

4.3.1腹板鋼束的橫斷面布置

對于箱形截面，腹板主要承受剪力，頂?shù)装逯饕惺軓澗亍Ｓ捎诒竟こ滔淞航孛嫣厥?，每塊腹板承受的荷載有一定區(qū)別，每塊腹板內(nèi)的鋼束布置也應(yīng)有所區(qū)別。取L/4處斷面，參照梁格法理論［4］將該斷面以三個腹板為中心劃分為三個梁格，按梁格截面面積配置預(yù)應(yīng)力鋼束，外側(cè)邊腹板內(nèi)的縱向鋼束面積約為其余腹板的1.4倍，見圖5。

圖5　L/4斷面縱向鋼束布置

4.3.2縱向計(jì)算結(jié)果

縱向計(jì)算建模時有兩個思路，一是考慮下置懸臂，按真實(shí)斷面建模，二是不考慮下置懸臂，僅將懸臂作為恒載考慮（見圖6）。由于下置懸臂對箱梁斷面的特性有較大影響，不考慮對全橋的內(nèi)力分布以及截面應(yīng)力等均有較大影響，因此采用第一種思路建模。

圖6　縱向計(jì)算模型

由圖7可知，截面最大正應(yīng)力14.9 M Pa，中支點(diǎn)最小正應(yīng)力0.5 M Pa，滿足規(guī)范要求。

圖7　短期組合正應(yīng)力圖（單位：MPa）

由圖8可知，截面最大主拉應(yīng)力為0.8 M Pa，滿足規(guī)范要求。

圖8　主拉應(yīng)力圖（單位：MPa）

4.4施工階段最大懸臂狀態(tài)抗扭驗(yàn)算

箱梁截面各個腹板厚度以及兩側(cè)懸臂大小均不相同，恒載作用下截面也存在較大的扭矩，因此對懸澆過程中最大懸臂狀態(tài)進(jìn)行抗扭驗(yàn)算是非常有必要的。采用M i das Ci vi l建立空間梁單元模型進(jìn)行驗(yàn)算，結(jié)構(gòu)模型見圖9。驗(yàn)算結(jié)果表明，截面最大扭矩為13 500 kN·m，抗力為57 600 kN·m，結(jié)構(gòu)抗扭有較大安全儲備，見圖10。

圖9　Midas空間梁單元計(jì)算模型

圖10　最大懸臂狀態(tài)扭矩圖（單位：KN·m）

5　掛籃結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

由于本橋斷面橫向不對稱，且外側(cè)懸臂位置沿高度變化，因此掛籃需進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)與詳細(xì)計(jì)算分析。掛籃主要受力結(jié)構(gòu)采用三角桁架。采用M i das Ci vi l建立掛籃整體空間模型，見圖11。

圖11　三角桁架應(yīng)力圖（單位：MPa）

計(jì)算結(jié)果表明，為保證各桁架應(yīng)力和變形基本相同，三片桁架結(jié)構(gòu)尺寸應(yīng)有所不同。

6　結(jié)語

（1）懸臂下置的箱梁結(jié)構(gòu)能較好的解決人非與機(jī)動車道設(shè)計(jì)縱斷面不同的問題。

（2）懸臂下置，截面特性與有效寬度變化較大，設(shè)計(jì)應(yīng)按實(shí)際斷面形式建模計(jì)算。

（3）橋梁縱橫向受力較為復(fù)雜，截面尺寸擬定、鋼束布置、截面配筋、掛籃設(shè)計(jì)計(jì)算等均應(yīng)充分考慮。

［1］張繼堯.懸臂澆筑預(yù)應(yīng)力混凝土連續(xù)梁橋［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［2］JTG D62－2004，公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.

［3］郭金瓊.箱形梁設(shè)計(jì)理論［M］.北京:人民交通出版社，2008.

［4］E·C漢勃利.橋梁上部構(gòu)造性能［M］，北京:人民交通出版社，1982.

U448.21+5

B

1009-7716（2016）09-0135-03

2016-06-01

郭紅敏（1970-），男，江蘇蘇州人，高級工程師，副總裁兼副總工，從事橋梁與隧道工程設(shè)計(jì)、研究、技術(shù)管理工作。